4.5 爱迪生大战交流电

爱迪生总共有一千多项发明。如果要问在这么多的发明当中，最重要、最有影响的发明是什么的话，那也许就是电灯了。

爱迪生（1847—1931年）出生于美国，他的祖先是荷兰人，18世纪30年代从阿姆斯特丹来到美国，曾经是银行家，过着殷实的日子。只是好景不长，他的祖父约翰·爱迪生在美国独立战争期间站错了队，由于支持英国国王而被迫迁到加拿大。在这次倒霉的事件之后，大家似乎也都汲取了教训。谁都有对时局判断错误的时候，这本来也不再有什么好说的，如果还要说些什么的话，那就是1837年加拿大发生了叛乱。这一次，爱迪生的父亲，塞缪尔·爱迪生又一次站错了队，支持了反叛的一方，结果反叛的一方失败了。最后的结果可想而知，他们不得不又逃回美国。十年之后，即1847年12月11日，作为他父母的第七个孩子，爱迪生出世了。

通常在作家的笔下，伟大人物都有一个不同寻常的童年。据说在爱迪生5岁那年，他的父亲有一次在鸡窝里发现他正趴在鸡蛋上，为的是看看自己能不能像母鸡一样孵出小鸡来。好在这种努力没有成功，否则的话对于家禽和人类来说都不是一个好消息。

爱迪生在中国是非常有名的，特别是在上一代人中特别有名气。这也许并不值得奇怪，因为他一生中有一千多项发明，而且特别有耐心——据说为了发明蓄电池，他用了整整十个年头，做了5万多次试验。

“哎呀，至于结果，”在做了几千次试验之后，当有人问他有什么结果时，他说，“我的朋友，结果就是有好几千种东西是不能用的。”

有一次他的工厂着了大火，火势凶猛、黑烟弥漫，现场情况很是惊人。不过最惊人的还在后面——闻讯赶来的爱迪生不是忙着救火，而是让儿子把他的妈妈叫来，“你妈妈在哪儿？快叫她来，顺便把她的朋友们也带来，”他说，“错过这个机会，就看不到这么大的火了。”事后，当他在废墟上漫步时，发现一个有他自己相片的相框居然完好无损。于是他很高兴地表示“没伤到我的一根毫毛”。

爱迪生既是科学家，又是个商人，雄心勃勃，计划用他的灯泡点亮整个世界。随着成千上万只灯泡被生产出来，爱迪生的商业事业也迅速发展起来。他的公司在城市里铺设供电线路，然后把它们引到千家万户，从发电厂里出来的巨大电能使一只只电灯发出了明亮的光芒。但是，也正是从这个时候开始，一场以科学的名义而发动的商业战争也即将拉开帷幕。

爱迪生的供电系统采用的是直流电。你可能听说过直流电，当你用电池给灯泡供电时，在灯泡发光期间，电流总是按一个固定的方向流动，这就是直流电。

在当时，爱迪生的发电厂很难把电力输送到很远的地方，这并不是直流电本身的错，而是因为想要远距离传输电能，必须克服一个问题：导线的电阻。而且供电线路越长，意味着电阻就越大，电能会在到达目的地之前被大量损耗。

实践证明，当提高所要传输的电压时，可以降低电能在供电线路上的损耗。遗憾的是，这对爱迪生的供电系统不适用。因为要是这样做的话，就意味着在供电线路的末端，那些神奇而明亮的瓶子都将只留下神奇，而不再明亮。这时，有个叫特斯拉的人建议爱迪生对现有的供电系统进行改进，以解决不能远距离输送电力的问题，而且他认为这同时也是一种更经济的做法。但是爱迪生没有采纳他的建议，并且在后来的时间里他们互相打压对方，到死都没有互相原谅过。

特斯拉（1856—1943年）生于南斯拉夫，后加入美国国籍。他的父亲是一位牧师，而他从小就对电学有着浓厚的兴趣。特斯拉一生中有大量的发明和创新，有很多成了现代发明创造的技术基础。但他又是一个极其不幸的人，终生贫困，很少有人知道他的名字，几乎从来没有得到过与其天才的创造相匹配的尊敬和荣誉（唯一的例外是现在国际上用他的名字作为磁感应强度的单位，这是一个衡量磁场强弱的物理量）。

1884年，爱迪生电灯公司的欧洲分公司向爱迪生本人推荐了特斯拉。当时特斯拉28岁，只比爱迪生小9岁。这两个人都不太喜欢对方，爱迪生喜欢不停地做实验，而这个欧洲人却侧重于理论计算，这使得他的工作有时候很有成效。他甚至看起来是很不屑地说：“如果爱迪生需要从草垛里找一根针，他会马上像勤奋的蜜蜂般一根根地检查稻草，直到他发现自己要找的东西。看到这样的做法，我感到非常遗憾。因为我知道，只需要一点点理论和计算，他就能省去百分之九十的力气。”看到有人这样评价自己（而且据说这段话被刊登在了报纸上），我想即使爱迪生是如来佛，他在灵山也沉不住气。他们是两个明星，但却从来不愿意一起出现在同一个舞台上。

早在和爱迪生见面之前，特斯拉就开始对一种叫做“交流电”的事物发生了兴趣。与直流电不同，交流电的方向和大小都是不断变化的。要想了解直流电和交流电之间有哪些不同，使用图形可能是最直观的方法，也是工程上常用的方法。

首先来看看直流电，它的典型代表就是干电池。为了绘出它的图像，只需找来一节电池，每隔一段时间（比如1秒钟）测一次电压，这样就能得到一组数据：

第1秒1.5V

第2秒1.5V

第3秒1.5V

第4秒1.5V

第5秒1.5V

为了将这些数据绘成图形，我们通常要使用坐标系统，创立它的人是大数学家笛卡儿，所以也称为笛卡儿坐标系。1619年，当这位天才躺在医院的病床上，只能百无聊赖地瞪着天花板的时候，也没忘了关心一下趴在上面的那只苍蝇——他想，如何知道这只苍蝇的位置呢？突然间，他想到把整个天花板均匀地打上格子，苍蝇的位置也就确定了。笛卡儿坐标系统由水平和垂直两条线组成，分别叫做横轴和纵轴。现在，我们用横轴代表时间，纵轴代表电压，用一个个的“点”把电压和测量的时间关联起来，像图4.8（a）所示那样。

现在我们测量电压的单位是秒，假如继续缩小每次测量的时间间隔，而且这个间隔足够小的话，这一个个的点就会挤在一起，形成一条直线，如图4.8（b）所示，这就是直流电的电压图像。我们省略了横轴上的时间点，它们已经不重要了。

说完了直流电，再来说说交流电。在第1章里，我们已经说过，就算是发电厂也不能凭空造出电来，但他们有的是办法来证明自己所能做的并不仅仅只是收取电费这一件事。我们知道，磁可以生电，这称为电磁感应。交流电通常就是在大型发电厂里用电磁感应的方式产生的。

为了产生交流电，需要把导体放到一个磁场中。如图4.9（a）所示，在磁铁的两极之间放有一根导线。图4.9（b）是该装置的整体截面图，其中带有箭头的线条是磁力线（当然，这是虚拟的，在实际的磁铁上是看不到的）。

需要指出的是，发电厂决不会用一根导线放在磁场里发电，这发不出多少电。实际上，它由一个绕了无数匝的巨大线圈，外加一个磁力很强的大磁场组成。

为了持续地产生电，最好的办法就是让导线在磁场中不停地旋转——用物理上的术语来说——做圆周运动。这样做有个好处，那就是可以方便地用水轮或者风车来驱动。总之，圆周运动肯定是最自然的。要绘制交流电的图像，只需要在导体旋转一周的过程中找几个时机测量一下就行了，如图4.10（a）所示。

乍看起来，电磁感应很简单，随便拿根铁棍子在磁场中搅和搅和就能发出电来。实际上，法拉第发现这里面并不简单。在①、⑤处，导体的瞬间运动方向是水平的，与磁力线平行，此时，它将不产生电压，即电压为零；当它来到②、④处时，瞬间运动方向与磁力线呈一个角度，此时能产生电压，但并不是很高，角度越小，产生的电压越小；只有在③处，由于导体的瞬间运动方向与磁力线垂直，所以产生的电压最高。图4.10（b）是我们记录的电压变化情况。

从⑤开始，导体经过⑥、⑦、⑧处，最后回到①，这个过程与上半周相同。可以想象，它们的电压变化情况也一样。但令人吃惊的是，电压的极性却和上半周相反。换句话说，突然颠倒了。不用奇怪，法拉第已经研究过了，导体从①到⑤是向下运动的，而从⑤再回到①却是向上运动的。感应电压的极性取决于导体的运动方向。所以，导体在磁场中旋转一周所产生的交流电波形如图4.11（a）所示。

注意，我们扩展了坐标系的纵轴，以显示两种不同的电压极性。很明显，这是两个平滑的圆弧，而不是两个三角形。你要知道，导体是在做圆周运动，它的旋转路线就是圆弧，所以生成的电压图像当然也是圆弧了。

为了持续地产生电流，导体需要不停地旋转，所以它的图像也在不断地重复。因此图4.11（b）所示就是交流电的图像，它没完没了，直到导体停止旋转。

说到这里，哎呀，我们已经离题太远了，原本要说的是爱迪生和特斯拉之间的战争故事。那时爱迪生已经上了年纪，加上他历史形成的权威地位，这个人开始变得越来越固执。当特斯拉劝他搞交流电时，这位大人物显得非常反感。再说他已经在直流电上投入了大量的金钱和精力，作为一只脚已经踏进商业领域的科学家，他的本能是要保护已有的投资。

这可能还不是他们最后分道扬镳的最直接原因。据说有一次他们俩在一起讨论有关发电机革新的问题，爱迪生对特斯拉说如果他能取得成功，将付给他5万美元作为奖赏。

好的消息是特斯拉取得了成功，坏消息是他到最后也没拿到这5万美元。更糟糕的是，他还得到了他不想要的——他认为自己在这件事情上受到了侮辱——爱迪生对他说：“你不知道我们美国人爱开玩笑吗？”

特斯拉知道美国人爱开玩笑，也很幽默，只是不知道爱迪生会来这一手。在这种情况下，他愤而辞职，转身投靠到另一家公司，并建立了自己的实验室，专心研究交流电传输技术，而他的秘密武器就是变压器。

说起来令人难以置信，其实变压器的原理非常简单。拿一个铁框，然后用绝缘导线在它的两边分别绕上线圈。左边的线圈称为初级线圈，右边的称为次级线圈，如图4.12所示。

很容易想象，如果把初级线圈接在交流电上，这个东西实际上就成了一个电磁铁，而且非常特殊的是因为交流电的性质，决定了这个电磁铁的南北极和磁场强弱都在不停地变化着。

这么说来变压器好像没什么大用。事实上它当然有大用，如果初级线圈有1000匝而次级线圈有5000匝，那么在次级就能获得比初级高5倍的电压，这相当于升压；反之，如果初级有5000匝而次级有1000匝，则次级的电压就是初级的1/5，这相当于降压。

为了远距离输送电力给那些需要灯泡照明的地区，特斯拉的新公司首先用变压器把交流电的电压升高，比如升到50kV，然后通过高压输电线路送出去，这样电力的损耗就会大大降低。

这个电压是非常高的，不用说也很危险。如果直接提供给灯泡，其下场肯定是——用东北话来说——完犊子。不过好在变压器也能把电压降下来，所以在高压输电线路到达城镇和工厂的时候，再用变压器把电压降低，这样就没问题了。

从理性上来讲，作为一名科学家，爱迪生当然明白这一切，但他还是要反对它，他要打败交流电，让那些对手们搞不成。他利用自己的威望和影响力向公众宣称交流电非常危险，为此，他发表文章，印刷一些攻击交流电的小册子。为了增强宣传效果，增加人们对交流电的恐惧心理，他还找了一些无主的猫和狗，当场用交流电将它们电死。在这方面，甚至还有人传说他电死了一头大象。但是究竟有没有这一回事，现在考证起来还真是挺困难的。不过通过这件事你就知道发生在2006年的虐猫事件不是没有源头的，事情的经过是那一年有人在互联网上发布了一段录像，内容是有个女人用高跟鞋将一只猫活活踩死了。这段录像一经公布立即在互联网上引起了轩然大波，这下可了不得，激怒了大量纯真善良的网民。大量愤慨的网民立即展开网络调查，又是声讨，又是追杀，甚至还惊动了国内一家著名的电视台，严肃认真地制作了一期节目，非要把这件事儿的内幕揭个底儿朝天。看到这一切，我老家那位在肉联厂当杀猪匠的朋友可能会哭着闹着要改行。

除此之外，双方还对当局进行政治游说，以取得政府对各自技术标准的支持。爱迪生的公司曾经希望政府将供电的电压限制在几百伏之内，如果是这样的话，交流电传输系统连同那些神奇的变压器都得完蛋。

不过，这也没有用。今天，即使是从全世界范围来看，为家庭生活、市政照明、工业生产而建设的电网里，绝大多数流着的还是交流电。因此，我们可以说，交流电最终获得了胜利。

1931年10月18日凌晨3点24分，爱迪生，这位84岁高龄的伟大人物与世长辞。对于他的一生，就像有人所评价的那样：他不发明历史，却为历史锦上添花。